一睹科学家们正在寻找暗物质的金矿

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稍作停顿，笼门嘎嘎作响地关上，我们开始 15 分钟的下降，下降深度达到 4,850 英尺。我们挤在里面：大约 30 名物理学家、工程师、生物学家，而且大部分都是矿工。实际上，他们是前矿工。这座矿井已经停产 18 年了。操作升降机的人通知我们上方的绞车操作员，驾驶室已满，我们可以出发了。在曾经是北美最大、最深的金矿顶部，有一瞬间，一切都变得安静。在这个二月的日子里，头顶上，南达科他州寒冷的风微微呼啸，席卷了黑山。当我们开始下降时，这一切提醒着我们，提醒着我们即将离开的整个世界。

然后放下。

然后放下。

笼子缓慢而稳定地移动，每秒移动约五英尺。我们经过了通往较浅地面的开口，地面漆黑，滴着水。生物学家在其中几个地方工作，从淤泥中刮出细菌，研究极端微生物，以考虑可能存在于其他星球上的生命形式。这当然是一个史诗般的谜团，但我们的目的地在更深处：位于南达科他州戴德伍德郊外莱德的霍姆斯特克矿场 4850 层，现在是桑福德地下研究设施，简称 SURF。来自世界各地的物理学家正在这里试图解决一个比生命本身更基本的难题。也就是说，宇宙的主要成分是什么？

质子、中子、电子——这些都是我们熟悉的物质，甚至可以说是基本粒子。我们还研究过更奇特、更小的亚原子物质：α粒子、β粒子、夸克、中微子。但它们之间还是存在着矛盾。远远不够。为了让宇宙得以存在，为了让星系以它们现在的方式旋转，为了让遥远恒星发出的光以它看起来的方式弯曲，宇宙中一定存在着比我们目前所见更多的物质。标准模型对所有基本粒子进行了分类，它只占宇宙质量的 16%。剩下的 84% 就是这些物质。关于剩余部分可能是什么，有几种理论，但它们都有一个共同的名字：暗物质。

暗物质的真正性质是备受争议的话题。它可能是一种物质，一种粒子，有点像质子；也可能是几种不同的东西，比如电子和夸克。除非我们找到确凿的证据，否则我们无法确定。这个笼子正在降落到精密实验中，其目的就是找到证据。

在这片深不见底、远离周围一切发出的嗡嗡声干扰的地方，安放着一个极其复杂的探测器——我们称之为相机陷阱。它的设计和建造是为了记录暗物质的主要竞争者——一种名为 WIMP 的物理学独角兽的存在，WIMP 是弱相互作用大质量粒子。该项目的核心是一个五英尺高的储罐，里面装满了全球每年约四分之一的液态氙。如果 WIMP 通过，它有可能与氙核发生碰撞，氙核会发出一道闪光，即光子。一旦该装置投入使用——最早在 2020 年底——它将运行五年。到那时，该团队要么已经找到了可能是暗物质的粒子的证据，要么……没有。该项目被称为 LUX-ZEPLIN，简称 LZ。 LUX 代表大型地下氙气，ZEPLIN 代表液态惰性气体中的 ZonEd 比例闪烁。这可能是我们迄今为止发现 WIMP 的最佳机会。

“这是物理学最激动人心的时刻，因为我们面前仍有许多巨大的谜团，”劳伦斯伯克利国家实验室的高级物理学家、LZ 项目协调员凯文莱斯科 (Kevin Lesko) 说。2020 年初，该探测器正处于组装的最后阶段。由 6 到 12 名物理学家和工程师组成的团队每天从早上 8 点到午夜分两班工作，进行一项为期五年的实验，这项实验需要来自七个国家 37 个机构的专家，他们来自光子探测和计算机建模等多个领域。“人们喜欢说我们知道如何解释宇宙。现在，我们正在试图弄清楚宇宙的大地图，”莱斯科谈到这项大规模的集体努力时说。

氙气罐是填补地图的关键工具，它能确定最有可能的物质。2019 年 10 月，氙气罐通过笼子沿矿井向下移动，这是一场精心策划的全天活动，几乎没有出错或碰撞的余地。一次滑倒和碰撞、多年的规划以及数百万美元的研发，都可能让氙气罐坠入矿井。

尽管我们还没有看到暗物质本身，但暗物质存在的证据无处不在。1933 年，加州理工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹维基 (Fritz Zwicky) 注意到星系团的速度似乎毫无意义：可见物质的引力不足以阻止星系团散开。这些天体之所以能像现在这样聚集在一起，一定有一些看不见的质量（加上引力）在帮助它们聚集在一起。20 世纪 70 年代，天文学家维拉·鲁宾 (Vera Rubin) 和肯特·福特 (Kent Ford) 正在研究仙女座星系的螺旋，令所有人惊讶的是，他们发现最外层边缘的恒星与中心的恒星移动速度一样快，违反了开普勒行星（在这种情况下是银河系）旋转的第三定律，该定律认为，围绕核心旋转的物体应该随着与中心距离的增加而移动得更慢。事实并非如此，这表明一些更远的质量影响了这些物体。还有其他线索，比如来自遥远恒星的光在到达我们这里的过程中会弯曲，宇宙微波背景的一致性，以及星系的椭圆形和螺旋形。所有这些都表明存在一个巨大的、不发光的、看不见的质量。

凝视太空让我们感受到暗物质对宇宙形态和外观的影响，但所有证据都是间接的，是阴影的阴影。这种看不见的物质将一直是个谜，直到物理学家能够观察到构成它的粒子或粒子，而他们已经尝试了大约 30 年。一些实验试图通过费米伽马射线太空望远镜等高空仪器寻找暗物质衰变的证据，绘制出指向暗物质的图表。他们称这种方法为间接探测。

其他技术则试图制造暗物质。自 2012 年以来，物理学家们一直在进行可以实现这一目标的实验——在位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机粒子加速器上。这些实验统称为 ATLAS，它们将质子碰撞在一起，以模拟大爆炸的情况，当时我们宇宙中的一切都形成了，理论上也包括暗物质。通过比较他们所知道的进入加速器的能量与测量出来的能量，科学家们或许可以证明它的存在。

更常见的是，暗物质侦探想要的是确凿的证据。也就是说，他们想要直接探测到它。但同样，没有人确切知道他们正在寻找什么。除了 WIMP，还有另一个潜在的罪魁祸首：一种名为轴子的理论粒子。如果轴子存在，它们将有助于解释中子，即使是那些内部有带电夸克的中子，也能保持中性。它们的质量也比电子小一万亿倍，这意味着数万亿个中子可以放在一个方糖大小的空间里。物理学家认为，监视它们的诀窍是加速它们原本缓慢的衰变成光子，而光子相对容易被发现。华盛顿大学的一个团队建造的探测器使用一块巨大而极其强大的磁铁来加快这一速度，而一个调谐到可能衰变的微波频率的谐振器则保持监视。

然而，在科学家多年来提出的各种暗物质构成中——包括从原始黑洞到 MACHO（质量巨大的天体致密晕体，占太阳质量的一半）——WIMP 仍然是主要目标。如果它们真的存在，它们将与理论物理学中另一个流行的概念超对称性相吻合，超对称性是指我们能看到的每一点质量都有一个不发光的对应物，即它的阴与阳。如果这个想法是正确的，那么我们从标准模型中得出的所有结论都将反映在 WIMP 的存在中。宇宙看似不可知且混乱，但它倾向于像这样的优雅解决方案。或者说，像这样的优雅解决方案倾向于解释宇宙。

然而，即使在 WIMP 领域，问题仍然存在。这些粒子的质量范围可能从大约 1 个质子到 100,000 个质子不等。一个名为 SuperCDMS 的实验正在寻找比 LZ 更小的 WIMP。该实验位于加拿大安大略省的一个镍矿中，依靠六个由硅或锗晶体制成的探测器；如果 WIMP 撞击其中一个并扰乱晶体的电子，相互作用将产生振动，这是一种可以放大的信号。该装置在 -450°F 下运行，以消除热能产生的噪音。而且它还位于地下深处（6,800 英尺），与日常生活中的放射性物质隔绝，从恒星到你的 Chuck Taylors 鞋底，宇宙的嗡嗡声无处不在。

还有另一项基于氙气的 WIMP 探测尝试，这是一项位于意大利格兰萨索山下的国际努力，并恰当地命名为 XENON。参与的科学家于 2020 年 6 月宣布，他们的实验正在记录额外的背景信号，这可能最终证明存在轴子。或者可能是中微子。或者是污染的结果。与暗物质中的许多东西一样，数据似乎即将改变现实，但结果却一无所获。

莱斯科近 30 年来一直在从事此类地下实验，包括 LZ 的前身 LUX，他解释了为什么这些实验总是在如此深的地下进行。他说，想象一下，“你想听到耳语。如果你在纽约市中心做这件事，你听不到，因为噪音太大了。你想远离我们的背景——我们受到的宇宙射线和垃圾的轰击会隐藏我们正在寻找的非常罕见的信号。”但莱斯科在这里停了下来：信号、粒子“不一定罕见，罕见的是与我们可以观察到的事物的相互作用。”

观测挑战催生出一种近乎痴迷的心态，即消除任何潜在的干扰。这就是为什么当莱斯科每个月飞往 Lead（当然是在疫情之前）参观这座由矿井改造的实验室一周时，他和团队所做的大部分工作就是尽可能保持一切清洁。这在任何地方都是一项艰巨的任务，但在岩石中凿出的隧道里，这项任务就更艰巨了。

笼门在 4850 层打开，我们全都走了出来。科学家和工作人员挤进电动车——矿车！——沿着一条四分之一英里长、没有灯光、地面泥泞的通道前往更远的实验室。在靠近电梯送我们去的地方时，我换下靴子，换上一双非常干净的越野跑鞋，这双鞋从未离开过这个地方。我擦了擦手机、笔、笔记本和手，走过粘稠的地板，擦掉鞋子上的灰尘，然后沿着一条长长的走廊，通往着陆区汇合的房间。从门里传来一声长长的高音哨声，听起来像一声可怕的尖叫。

“那是我们通过管道输送的液氮——声音好大啊！”劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家亚伦·马纳莱赛在气体的轰鸣声中大喊道。马纳莱赛和一群研究生一起来到这里，花了几个月的时间才组装好 LZ 的数千个零部件，这些零部件几乎占据了整个房间。

尖叫声渐渐平息后，我们穿过一扇双开门，进入了空间。我原本以为首先会看到着陆区实验中心的那个巨大而闪闪发光的储罐。但实际上，那里有成排的管道和电线，从传感器一直延伸到储罐外面的一堆计算机；一块低温面板，用于将氙气冷却到略低于 -163°F（氙气的液化温度），并有助于降低储罐内部的背景干扰；塑料窗帘覆盖着仍在组装的区域；还有通风管道、储物柜、橙色锥形物和警示牌。在这一切的中间，有一个 20 英尺高的弯曲不锈钢结构：着陆区储罐的第一层。它将装满 70,000 加仑的水，以进一步缓冲内部氙气室——从某种意义上说，它是一个巨大的热水瓶。

透过一个小巧、沉重、可旋转打开的舷窗，可以看到内部密室——氙气罐。为什么是氙气？它密度极高，而且作为惰性气体之一，它很惰性。大多数时候，它不会对接触到的大多数物质产生反应。换句话说，它非常安静。因此，元素内部的反应往往很突出，这正是你在试图发现可能最终证明暗物质存在的突然闪光时所需要的。在这个钛容器里有光子探测器——陷阱中的“相机”：几百个 3 英寸宽的管子蜂巢状排列成两个直径近 5 英尺的圆圈，位于巨大罐子的顶部和底部。

我们从舷窗后退，爬上梯子，来到外层水箱中间的夹层，伦敦大学学院的物理学研究员 Theresa Fruth 正在这里研究探测器。她正在测试它们在系统其他部分中如何发挥作用。她解释说，这些管子充当捕获和放大装置。当一个粒子（无论是 WIMP 还是其他粒子）穿过水箱并撞击氙原子核时，就会产生能量，以光的形式产生：一个光子，或者更可能是多个光子。阵列吸收这些光子并将其转换成电子。每个阵列代表一个数据点（X、Y 和 Z 坐标），显示相互作用来自该区域的哪个位置。

绝大多数事件将源于周围岩壁的腐烂。“那会发生，”弗鲁斯说。“我们不在乎。”物理学家知道这些信号是什么样子，可以很容易地忽略它们。此外，她解释说，拥有如此大量氙气的好处之一是，它的外缘——除了储罐本身、水、另一个储罐和上方一英里的地球——可以充当缓冲区。“如果我们靠近中心，就会安静得多。”这是他们可能发现暗物质的地方。或者“我们可以合理地寻找罕见相互作用的地方”。

如果在水箱内发生罕见的相互作用，那么它可能会突然出现，甚至没有人注意到。最后一个技巧，也许是最棘手的技巧，就是确保我们确实在所有其他活动中发现了这个闪光。一旦 LZ 上线，它将记录每年约 10 亿次相互作用。这些 PB 级的数据由 Maria Elena Monzani 负责。她在斯坦福大学 SLAC 国家加速器实验室工作，管理 LUX-ZEPLIN 的软件和计算基础设施。

因为之前没有人见过暗物质相互作用，所以尝试确保我们所看到的一切都是正确的非常重要。蒙扎尼协调了所有“已知”的分类和建模，以便更容易地突出未知。“我们将会有几十亿个事件，暗物质将是其中的一小部分，”蒙扎尼说。“了解这几十亿个事件是什么非常重要。一旦你知道了，你就可以知道，‘啊，这是个什么东西。’”

蒙扎尼负责监督的工作本质上是针对大脑想要看到实际上并不存在的东西（图案、粒子）的冲动。她在全球各地拥有几个物理学家团队，他们在两个数据中心运行着陆区的完整模拟。他们正在校准机器、算法，当然还有人。为了校准一个人，蒙扎尼和她的团队从着陆区坦克的模拟中大量生成数据集，然后，非常巧妙地添加看起​​来与真实事物一模一样的额外数据——这种方法称为加盐。

Monzani 的团队会放入一些数据，比如看起来像 WIMP 在其尾迹中留下的能量。他们知道这些标记是假的，但他们的分析师不知道，因此他们创建了一个盲测，以减少物理学家非常希望找到令人兴奋的相互作用而可能产生的偏见。试运行完成后，Monzani 的团队会揭示哪些信号是安慰剂。在这种情况下，剩下的就是 LZ 模拟产生的“真实”信号（当实验启动并开始输入实时数据时，他们会重复该过程）。每个人都想找到暗物质。加盐训练他们诚实。

在春季中旬，对着陆区系统进行一次又一次的模拟成为主要工作。2020 年 3 月，新冠疫情迫使该设施关闭了除关键维护之外的现场工作。一些科学家留在了城里，因为旅行——尤其是国际旅行——似乎很危险，而莱德（人口 3,021）是一个足够舒适的地方，无论他们在这种病毒引发的困境中待多久，他们都可以在这里滞留。

地面上还有很多工作要做，还有很多校准工作需要完善。无论何时开始，都需要五年的时间对 WIMP 进行嗅探，才能收集到足够的数据，以了解粒子是否在 LZ 的探测范围内。此外，正如项目协调员 Lesko 指出的那样，这几个月的双班工作已经得到了回报：他们几乎完成了 4850 的组装工作，项目处于一个稳定而安全的位置。在疫情期间，很少有地方比近一英里深的地下更安全。

不过，和我们其他人一样，他们想知道这一切何时才能结束：他们何时可以完全恢复实验，一旦他们恢复实验——LZ 储罐密封，探测器阵列警惕地等待——他们是否会发现任何东西。过去 30 年来，近十几次试图捕捉 WIMP 的迹象，但都无一成功。然而，像光子探测器专家 Fruth 这样的团队成员对他们毕生的工作可能一无所获的可能性持乐观态度。“知道它不是某种东西仍然有价值，”她说。当你不确定 WIMP 到底是什么时，找出它不是什么是有价值的。

生活在不确定性中并思考未知事物对他们来说是一种舒适的空间，因为这就是科学家所做的——尤其是正在进行这一特定探索的物理学家。弗鲁斯将暗物质比作地图上未填满的部分，即“这里有怪物”的部分。“我们画了一条线，”她说，“然后我们说，‘看，我们对这条线以外的任何事情都一无所知。’然后我们再往前走一点，知道得更多一点。这条线移动了，我们也跟着移动。”

本故事刊登在《大众科学》杂志2020 年秋季神秘类期刊上。